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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Analogschaltung für Ultraschall


Autor: Andi (Gast)
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Hallo an alle!

Ich brauche für ein Schulprojekt eure Hilfe:
Es geht um Ultraschallentfernungsmessung und meine Aufgabe ist eine 
Schaltung zu entwerfen, die die laufzeitabhängige Dämpfung kompensiert.

Dazu soll sie folgende Funktion nachbilden:

c*t * exp(a*c*t)

wobei c die Schallgeschwindigkeit, t die Laufzeit und a die 
Dämpfungskonstante sind.

Leider hab ichs nicht so mit Analogschaltungen - vielleicht kann mir mal 
wer weiterhelfen...

Achja: Multiplizierer hab ich natürlich fertig, mein Problem ist eher 
das mit der Laufzeit in die Schaltung zu bringen.

Vielen Dank schon mal
Andi

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Wenn du den Multiplizierer schon fertig hast um obiges Produkt zu 
berechnen dann kanst du den  exp(a*c*t) anteil mit einem RC - Glied 
erzeugen.
Du startest zu begin deiner Impulsausgabe mit dem laden eines 
Kondensators ueber einen Widerstand.  Dessen Ladezeitkonstante ist ja 
bekanntermassen
  u(t) = ub*(1-exp(-t/T))

mit ub = Betriebsspannung , T = R*C , t = zeit , u(t) = Zeitabhaengige 
spannung.

Normalerweise wird es aber anders gemacht. Der uC zur Steuerung des 
ganzen schaltet in gewissen Abstaenden einfach per Analogschalter die 
Verstaerkung um. Falls dir das zu grob ist gibst noch die moeglichkeit 
per Multiplizierendem DAC die Verstaerkung feiner um zuschalten. Dazu 
berechnent der uC den Verstaerkungsfaktor nach deiner Formel und gib 
diesen auf dem DAC aus.

Gruss Helmi

Autor: Andi (Gast)
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Danke für die schnelle Antwort, das Problem ist folgendes:
Das GANZE Teil soll analog werden!

Der Eingangsverstärker wird von einem Kollegen mit dem MAX2034 
realisiert und ich soll als Verstärker den MAX2035 (oder MAX2037 - rel. 
ähnlich) verwenden. Der MAX2035 hat einen differentiellen Eingang mit 
dem man die Verstärkung einstellen kann (-2V heißt volle Verstärkung, 
+2V heißt geringste Verstärkung!)

Und jetzt muss ich mir die Schaltung vor diesem differentiellen Eingang 
überlegen.

 andi

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Nur mal so auf die schnelle ohne mir jetzt das Datenblatt vom MAX2035 
genau durchzulesen sollte dir diese Schaltung eine e-funktionsformige 
Spannung erzeugen. Das C must du halt so bestimmen das es deinen Zeiten 
entspricht. Wenn der Transistor sperrt beginnt die Spannung zu steigen 
und dein VGA wird immer mehr verstaerken. Eventuell ich bin mir nicht 
sicher must du noch VGCTL+ und - tauschen.

Gruss Helmi

Autor: yalu (Gast)
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Die Lade-/Entladefunktion eines Kondensators ist eine negative
Exponentialfunktion. Um auf die von Andi gewünschte positive
Exponentialfunktion zu kommen, müsste man noch den Kehrwert des
Signals bilden, wofür es natürlich ebenfalls Schaltungen gibt.
Zusätzlich muss das Ganze noch mit t (also einer linearen
Rampenfunktion) multipliziert werden. Die lineare Rampe kann bspw.
durch Laden eines Kondensators mit einem konstanten Strom gewonnen
werden.

Es geht aber einfacher: Beim  MAX2035 scheint die Verstärkung
(zumindest näherungsweise) exponentiell von der Steuerspannung
abzuhängen. Also muss nicht die Funktion

sondern

erzeugt werden.

Dazu müssen eine Rampenfunktion (Laden eines Kondensators mit
Konstantstrom), eine Logarithmusfunktion (Rampe durch Logarithmierer)
und eine konstante Funktion (Konstantspannung) generiert und alle drei
Signale addiert werden. Die Konstanten C1, C2 und C3 sind entsprechend
anzupassen und können evtl. über Potis einstellbar gemacht werden.

Das Summensignal kann, wie von Helmi gezeigt, in ein differentielles
Signal umgewandelt werden, das dem Steuereingang des MAX zugeführt
wird.

Einen Multiplizierer brauchst du also nicht, aber statt dessen einen
Rampengenerator, einen Logarithmierer und einen Addierer. Alle drei
sind aber relativ leicht zu realisieren.

Autor: Andi (Gast)
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hallo nochmal!
danke für eure antworten.

muss aber nochmal nachfragen: Woher weiß ich dass die Verstärkung 
exponentiell von der Steuerspannung abhängt?
Ich schließe jetzt mal aus dem Diagramm (weil linear auf einer log. 
Skala) ? Bin ich da richtig?

und wie soll so ein rampengenerator ausschauen? Hab da mal gegoogelt 
aber auch nix brauchbares gefunden.

mfg andi

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Ich schließe jetzt mal aus dem Diagramm (weil linear auf einer log.
>Skala) ? Bin ich da richtig?

Ja

>und wie soll so ein rampengenerator ausschauen? Hab da mal gegoogelt
>aber auch nix brauchbares gefunden.

Lineare Rampe erhaelst du wenn du in meiner Schaltung R1 durch eine 
Konstantstromquelle ersetzt (Transistor) und R9 weglaesst. Dann sollte 
sich am C b.z.w. am OP-Ausgang eine lineare Rampe ergeben.

Gruss Helmi

Autor: 3352 (Gast)
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Die Standardanwendung nimmt fuer dieses Problem einen 
spannungsgesteuerten Verstaerker. nachschauen unter VGA, zB bei Analog 
Devices. Dort einen aussuchen der linear in dB ist, Dann eine Rampe 
anlegen und gut ist.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Für den Zweck gibt oder gab es Spezialchips:
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tl852.pdf
http://www.micromint.com/app_notes/ti01_data.htm
http://www.acroname.com/robotics/parts/R11-6500.html
die machen allerdings nur digital einstellbare logarithmisch gestaffelte 
Verstärkungsschritte.

Autor: yalu (Gast)
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3352 schrieb:

> Die Standardanwendung nimmt fuer dieses Problem einen
> spannungsgesteuerten Verstaerker. nachschauen unter VGA, zB bei
> Analog Devices. Dort einen aussuchen der linear in dB ist

Der MAX2035, den Andi ausgesucht hat, ist genau so etwas, nur eben
nicht von Analog, sondern von Maxim.

> Dann eine Rampe anlegen und gut ist.

Nur die Rampe ist ein Bisschen zu wenig, zumindest dann, wenn das
Ergebnis genau sein soll. Durch die Rampe und die exponentielle
Charakteristik des VGA wird zwar die dämpfungsbedingte
Schalldruckabnahme kompensiert, nicht aber die Schalldruckabnhame
infolge der radialen Schallausbreitung. Diese ist in Andis Formel
durch den Faktor t vor der E-Funktion berücksichtigt.

Du hast natürlich insofern recht, dass man diesen Faktor t in vielen
Anwendungsfällen einfach vernachlässigen kann, da der Dynamikbereich
der Gesamtschaltung trotz der Laufzeitkompensation ohnehin sehr groß
sein muss. Dann genügen aber meist auch einige wenige, diskret
einstellbare Verstärkungsstufen. Es gibt aber auch Anwendungen, wo es
durchaus sinnvoll ist, die Kompensation möglichst ganau zu machen.

Vielleicht schreibt Andi mal, wozu er dieses US-Entfernungsmesssystem
einsetzen möchte.

Autor: Andi (Gast)
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ich brauch das ganze deahalb so genau, weil nicht nur die Entfernung 
gemessen, sondern auch auf die Oberfläche geschlossen werden soll.

Wenn man also die laufzeitabhängige Dämpfung exakt kompensiert bleibt 
nur noch die Dämpfung der Oberfläche des Reflektors übrig.

Das soll das Ganze irgendwann mal machen...
mfg andi

Autor: yalu (Gast)
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Ok, dann sollte man das linke t in der Formel lieber nicht weglassen.

Wobei diese Oberflächenbestimmung natürlich nur dann sauber
funktionieren kann, wenn die Fläche ausreichend groß (sonst wird bei
großen Abständen evtl. ein kleinerer Ausschnitt der Schallkeule
reflektiert als bei kurzen Abständen) und eben ist und genau
rechtwinklig zur Sensorachse liegt.

Autor: gast (Gast)
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hallo!

eine kurze frage:
wie kann man die Schaltung(Rampe) von Helmut Lenzen schnell umbauen, 
dass sie nicht von 0 auf 5 V geht, sondern von 0 auf -2.

danke schon mal,
gast

Autor: yalu (Gast)
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Eine negative Rampe erhältst du dadurch, dass du links vom OpAmp

- die positive Versorgungsspannung durch eine negative ersetzt,

- den PNP- durch einen NPN-transistor ersetzt und umgekehrt,

- die Dioden umdrehst und

- falls der Kondensator gepolt ist, diesen ebenfalls umdrehst.

Das Rücksetzsignal muss jetzt natürlich auch negativ sein. Die
Versorgungsspannung des OpAmps muss ins Negative verschoben werden.
Beim einem LM358/324 würde sich GND als positive und -5V als negative
Versorgungsspannung anbieten.

Alternativ kannst du die Schaltung so lassen, wie sie ist, und hinter
den OpAmp einen zweiten als invertierenden Verstärker schalten.

Autor: gast (Gast)
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aahhh, die Dioden hab ich vergessen - drum hats nicht geklappt.
vielen dank
mfg gast

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